(武漢江漢化工設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430223)

夾套容器是指在容器殼體外包有完整的密閉腔用來加熱或冷卻容器內(nèi)物料的一種容器。夾套容器主要由內(nèi)容器和外夾套兩部分構(gòu)成，內(nèi)容器的設(shè)計壓力要考慮內(nèi)壓、外壓或最大壓差。當夾套側(cè)壓力相對較高時，內(nèi)筒體的壁厚往往取決于外壓計算厚度。為提高經(jīng)濟效益，降低設(shè)備整體造價，可在內(nèi)筒體設(shè)置加強圈，提高其穩(wěn)定性，有效降低內(nèi)筒體的厚度。

考慮到結(jié)構(gòu)緊湊及合理性的要求，內(nèi)外筒體間的間隙一般較小，加強圈的設(shè)置受到間隙尺寸的約束。當加熱或冷卻介質(zhì)采用低壓蒸汽或循環(huán)冷卻水時，內(nèi)筒的設(shè)計外壓相對較低，所需的加強圈截面尺寸較小，內(nèi)外筒體間的間隙可以滿足加強圈的結(jié)構(gòu)尺寸以及換熱介質(zhì)流通面積的要求；當夾套內(nèi)介質(zhì)壓力相對較高(如采用中、高壓蒸汽)時，內(nèi)筒的設(shè)計外壓也較高，所需的加強圈截面尺寸更大，常出現(xiàn)加強圈結(jié)構(gòu)尺寸大于內(nèi)外筒體間隙而無法布置，或者勉強能夠布置下，又沒有足夠的介質(zhì)流通面積的情況，影響工藝操作。本文以某裝置中的一個儲槽為例，討論在這類情況下圓環(huán)型加強圈的設(shè)計。

1 設(shè)計參數(shù)

夾套容器外形示意見圖1，主要參數(shù)見表1。

圖1 夾套容器外形示意

部位設(shè)計壓力/MPa設(shè)計溫度/℃內(nèi)徑/mm長度(切線)/mm材料焊接接頭系數(shù)內(nèi)筒0．811018002600S304080．85夾套0．811020002680S304080．85

如果內(nèi)筒體不進行加強設(shè)置，則內(nèi)筒外壓計算長度L=2 600+2×hi/3=2 900mm(hi為內(nèi)筒橢圓封頭曲面深度，下同)，按GB/T 150.3—2011中內(nèi)壓筒體和外壓筒體的計算方法，在內(nèi)壓和外壓分別作用時所需名義厚度分別為7mm和22mm，由此可見內(nèi)筒體壁厚主要取決于外壓的計算厚度。外壓容器的失效形式主要是失穩(wěn)，當殼體的結(jié)構(gòu)尺寸(直徑、長度)一定時，可通過設(shè)置加強圈降低外壓計算長度，從而降低筒體壁厚。

2 常規(guī)型、改進型圓環(huán)型加強圈

(1)在內(nèi)筒外側(cè)設(shè)置圓環(huán)型加強圈可以降低外壓圓筒計算長度L，圓環(huán)型加強圈結(jié)構(gòu)見圖2。因內(nèi)外筒體間隙為50mm，加強圈的尺寸應(yīng)小于50mm。

先假設(shè)在筒體中間位置設(shè)置一個加強圈，則外壓計算長度L=2 600/2+hi/3=1 450mm，按GB/T 150.3—2011中外壓容器的計算方法得到內(nèi)筒所需名義厚度為18mm，加強圈尺寸至少為150mm×12mm以上，同時夾套水壓試驗時，內(nèi)筒需充壓0.038MPa，即使換成慣性矩更大的反置等邊角鋼，也至少需要∠100mm×12mm以上；再假設(shè)在內(nèi)筒外側(cè)設(shè)置2個加強圈，將整個外壓計算長度三等分，即L=2900/3≈967mm，則內(nèi)筒所需名義厚度為18mm，加強圈至少需要120mm×16mm，即使換成慣性矩更大的反置等邊角鋼也至少需要∠100mm×8mm以上。由此可見，無論是120mm×16mm的扁鋼還是∠100mm×8mm的等邊角鋼，都無法滿足內(nèi)筒外壁與夾套內(nèi)壁的間隙要求，更無法保證夾套內(nèi)介質(zhì)的流通要求。考慮到接管的布置，允許的最小外壓計算長度按L=300mm計算，經(jīng)核算所需加強圈最小為∠90mm×8mm，仍然無法滿足間隙空間的要求。

(2)改進型圓環(huán)型加強圈結(jié)構(gòu)見圖3。該結(jié)構(gòu)將加強圈與夾套筒體相焊，使內(nèi)筒、加強圈和夾套形成一個整體。由于它是整體結(jié)構(gòu)，外壓圓筒軸向剖面的單位長度上內(nèi)筒受壓應(yīng)力，夾套受更大拉應(yīng)力，可通過加強圈阻止內(nèi)筒的收縮，從而阻止其失穩(wěn)，改善了筒體的整體穩(wěn)定性。文獻[2]對該加強圈結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力和穩(wěn)定性計算分析，認為該整體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生總體失穩(wěn)，GB/T 150—2011對加強圈應(yīng)有慣性矩的要求不適合于整體雙層殼體結(jié)構(gòu)，作為加強圈本身，與夾套焊成一體，提高了加強圈失穩(wěn)的臨界應(yīng)力值。因此，在設(shè)計中內(nèi)筒受內(nèi)壓和外壓的計算按GB/T -2011的規(guī)定，但是加強圈的結(jié)構(gòu)尺寸可按文獻[2]的方法取定：加強圈的軸向厚度取等于或大于內(nèi)筒厚度及夾套厚度中較大者，加強圈與內(nèi)筒體及夾套的焊接結(jié)構(gòu)須按受壓元件焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對本文中提到的夾套容器，在筒體中間位置設(shè)置一個加強圈即可將內(nèi)筒體厚度由22mm減為18mm，加強圈的厚度略大于內(nèi)筒和夾套厚度中較大者即可，這樣的設(shè)計在降低設(shè)備用材的同時，還簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，一舉兩得。如需進一步降低筒體壁厚，可增加加強圈的數(shù)量。

圖2 圓環(huán)型加強圈

圖3 改進型圓環(huán)型加強圈

文獻[3]中UG-29條(f)規(guī)定，當容器的內(nèi)殼與外夾套由若干拉緊棒或者其他一些圓環(huán)連接，在夾套與內(nèi)殼間有壓力存在時，這種結(jié)構(gòu)本身具有足夠的剛度，因此，可不遵循UG-29條中關(guān)于禁止開孔等條款的要求，可以在加強圈上開孔。為保證介質(zhì)的正常流通，加強圈開孔面積之和應(yīng)大于入口管的橫截面積。

該型結(jié)構(gòu)有效解決了狹小間隙間加強圈的布置問題，降低了設(shè)備造價。但設(shè)計時有幾點需要注意：①該結(jié)構(gòu)總體不會發(fā)生失穩(wěn)的前提是加強圈、內(nèi)筒和夾套形成一個整體結(jié)構(gòu)，因此焊接結(jié)構(gòu)必須按照受壓元件的要求進行設(shè)計(全焊透、無損檢測等)，使其保持一個整體；②該結(jié)構(gòu)通過在加強圈上開孔使介質(zhì)進行流動，通道減小，增加了流體阻力，壓降增大，增加了不流動區(qū)，不利于冷凝液排出。因此，不適用于對壓降等有較高要求的工況。

3 結(jié)語

綜上所述，在夾套容器的設(shè)計中，當常規(guī)的圓環(huán)型加強圈不能滿足設(shè)計要求時，可以采用改進型的圓環(huán)型加強圈，將加強圈與夾套相焊接，夾套筒體通過加強圈對內(nèi)筒起到加強的作用，提高了總體穩(wěn)定性。尤其當夾套內(nèi)采用高壓蒸汽或其他壓力較高介質(zhì)時，該結(jié)構(gòu)能明顯地降低設(shè)備用材和制造運輸成本，節(jié)約了設(shè)備投資和費用。

參考文獻：

[1]GB/T 150.1—150.4—2011，壓力容器[S].

[2]林代貴，岳國印，陳渝.雙層殼結(jié)構(gòu)的容器受外壓穩(wěn)定性計算[C].第四屆全國壓力容器學(xué)術(shù)會議論文集.

[3]ASME BOILER & PRESSURE VESSEL CODE，SECTION Ⅷ，Div 1，2010[S].